基于RFID技術(shù)的煤礦井下定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    1．引言

    移動(dòng)處理設(shè)備的發(fā)展和無(wú)線局域網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)步促進(jìn)了移動(dòng)定位技術(shù)的突飛猛進(jìn)。在進(jìn)行近距離定位時(shí)，通常使用如紅外線、802.11、超聲波和RFID技術(shù)。RFID(Radio Frequency Identifical),射頻識(shí)別技術(shù)，作為快速、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確采集與處理信息的高新技術(shù)與信息標(biāo)準(zhǔn)化的基礎(chǔ)，已經(jīng)被世界公認(rèn)為本世紀(jì)十大重要技術(shù)之一，在生產(chǎn)、銷售、物流、交通等各個(gè)行業(yè)有著廣闊的用前景。

    目前，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，基于遠(yuǎn)距離微波射頻識(shí)別技術(shù)的讀寫器開始得到應(yīng)用，在礦井安全檢測(cè)系統(tǒng)中引入井下人員定位檢測(cè)系統(tǒng)是一種趨勢(shì)。一些企業(yè)也紛紛推出了自行設(shè)計(jì)開發(fā)的基于RFID煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)?；谝陨媳尘?，我們研究基于RFID的井下人員定位系統(tǒng)是非常具有歷史和現(xiàn)實(shí)意義的。

    2．RFID 基本原理以及定位系統(tǒng)要求

    2.1 RFID 原理

    射頻識(shí)別技術(shù)(Radio Frequency Identifical ,簡(jiǎn)稱RFID)是一種非接觸的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，其基本原理是利用射頻信號(hào)和空間(電感或電磁耦合)傳輸特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)被識(shí)別物體的自動(dòng)識(shí)別。

圖 1 射頻識(shí)別系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

   射頻識(shí)別系統(tǒng)一般由三個(gè)部分組成，即電子標(biāo)簽(Tag)、閱讀器(Reader)和應(yīng)用系統(tǒng)，其基本模型如圖1所示。其中電子標(biāo)簽為數(shù)據(jù)載體，又稱為應(yīng)答器，電子標(biāo)簽與閱讀器之間通過耦合元件實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)的空間(無(wú)接觸)耦合，在耦合通道內(nèi)，根據(jù)時(shí)序關(guān)系，實(shí)現(xiàn)能量的傳遞和數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。

    2.2 定位系統(tǒng)需求分析

    圖2為井下環(huán)境示意圖，斜線部分為開采面，黑點(diǎn)覆蓋區(qū)域?yàn)橄锏?。通過煤礦井下應(yīng)用環(huán)境的分析，定位系統(tǒng)應(yīng)具備以下方面特點(diǎn)：

    1、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本盡可能的低；
    2、系統(tǒng)應(yīng)該具有擴(kuò)展性；
    3、系統(tǒng)的定位的精度要滿足實(shí)際應(yīng)用的需要。

圖2 井下環(huán)境示意圖

    整個(gè)煤礦定位監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)該具備以下功能：

    1、顯示、查詢井下情況：
    (1)任一時(shí)間井下或某個(gè)地點(diǎn)人數(shù)，及每個(gè)人的身份；
    (2)查詢一個(gè)或多個(gè)人實(shí)時(shí)的實(shí)際位置及某個(gè)人在任一時(shí)間的活動(dòng)軌跡；
    (3)查詢有關(guān)人員在任一地點(diǎn)的到達(dá)、離開時(shí)間和總工作時(shí)間等等一系列信息，可以督促和落實(shí)重要巡查人員(如：瓦斯檢測(cè)人員、安全檢測(cè)人員及管理人員等)是否按照規(guī)定的時(shí)間、地點(diǎn)的進(jìn)行各項(xiàng)檢查工作，減少事故發(fā)生因素；
    (4)可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)共享，對(duì)多個(gè)用戶通過權(quán)限設(shè)置，可查看權(quán)限內(nèi)信息；
    (5)具備考勤功能，可查詢一個(gè)或多個(gè)人每天入井次數(shù)，在井下工作時(shí)間等；
    2、隨時(shí)查看井下人員在巷道內(nèi)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)分布，根據(jù)井下的實(shí)際情況制作相應(yīng)的動(dòng)態(tài)圖，使井下人員分布情況一目了然；
    3、可在井下車輛和重要設(shè)備上安裝射頻識(shí)別標(biāo)簽，隨時(shí)掌握它們井下的位置和運(yùn)行路線，從而對(duì)車輛設(shè)備進(jìn)行合理調(diào)度，最大限度地提高生產(chǎn)效率；
    4、遇突發(fā)事故，可隨時(shí)查詢事故區(qū)域的人員分布，人員身份及重要設(shè)備所在位置，能及時(shí)調(diào)動(dòng)相關(guān)人員處理事故及撤離，可為搶險(xiǎn)救災(zāi)提供準(zhǔn)確資料；
    5、搶險(xiǎn)時(shí)更準(zhǔn)確快速識(shí)別遇險(xiǎn)人員和儀器設(shè)備具體地點(diǎn)和位置，提高搶險(xiǎn)效率和救護(hù)效果；
    6、有效的監(jiān)控井下有害氣體濃度，當(dāng)濃度超過警戒閥值時(shí)，井下監(jiān)測(cè)點(diǎn)及井上控制臺(tái)同時(shí)報(bào)警，使井下施工人員可以迅速撤離，而且能準(zhǔn)確有效的定位出事地點(diǎn)。

    3．基于RFID 技術(shù)的煤礦井下定位系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

    3.1 工作頻段的選擇

    與地面相比,井下地質(zhì)和生產(chǎn)環(huán)境對(duì)通信頻率影響較大的因素有：

    1、衰減與頻率的關(guān)系。礦井巷道對(duì)電波的自由傳播可視為帶阻型。在甚低頻段、低頻、中頻的低端，隨頻率增大衰減增大。在中頻高端、高頻頻段，衰減達(dá)到最大,30MHz電波的衰減最大,最不利于傳輸；進(jìn)入甚高頻后,衰減隨頻率上升而減小。
    2、衰減與曲率的關(guān)系。衰減隨著巷道曲率增大而增大。如900MHz，對(duì)于同樣巷道壁、截面大小一樣的巷道,平直時(shí),傳輸距離可達(dá)600m左右；當(dāng)巷道彎曲90°時(shí),傳輸距離只有300m。又如頻率為415MHz時(shí),直線傳輸距離可以達(dá)380m,而遇到拐角時(shí)只能達(dá)到127m,可見有拐角的傳輸距離一定小于直線的傳輸距離。對(duì)于平直而不受阻擋的巷道而言，頻率越高傳輸衰減越小,但當(dāng)頻率升高時(shí),電波的拐彎能力變差，拐角處的損耗增大，傳輸距離減小。拐角損耗隨著頻率的升高而逐漸增大。
    3、衰減與粗糙度、傾斜率的關(guān)系。當(dāng)電波在巷道中傳播時(shí),由于巷道壁的粗糙與傾斜,將引起電波損耗。根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)的理論分析和實(shí)驗(yàn)可知,當(dāng)頻率較低時(shí),粗糙所引起的損耗較大；當(dāng)頻率較高時(shí),傾斜所引起的損耗較大。
    4、導(dǎo)體對(duì)無(wú)線傳輸?shù)挠绊憽Ｓ捎诳v向?qū)w的導(dǎo)波作用，當(dāng)巷道內(nèi)存在動(dòng)力電纜、通信電纜、信號(hào)電纜、電機(jī)車架空線、鐵軌、絞車鋼絲繩、水管等縱向?qū)w時(shí),礦井無(wú)線傳輸?shù)乃p將減小,并且縱向?qū)w與巷道的絕緣性能越好,越位于巷道中央傳輸衰減越小。在中頻、低頻段縱向?qū)w的導(dǎo)波作用較大，中頻段傳輸距離可達(dá)2500m ，隨著頻率的增高，縱向?qū)w的作用越來(lái)越小。在特高頻及其以上頻段,縱向?qū)w的作用可以忽略不計(jì)。
    5、衰減與巷道斷面的關(guān)系。巷道斷面大比斷面小對(duì)通信更有利。
    6、井下設(shè)備對(duì)無(wú)線傳輸?shù)挠绊?。井下設(shè)備較多、較復(fù)雜而且形狀不一致，無(wú)論是理論分析還是試驗(yàn)驗(yàn)證都較困難。目前較一致的結(jié)論是：機(jī)車對(duì)無(wú)線傳輸?shù)牟焕绊戄^大；木制風(fēng)門對(duì)無(wú)線傳輸?shù)牟焕绊戄^小,鋼木混合風(fēng)門對(duì)無(wú)線傳輸?shù)牟焕绊戄^大，而鋼制風(fēng)門可以阻斷無(wú)線傳輸；臨時(shí)性風(fēng)墻對(duì)無(wú)線傳輸?shù)牟焕绊懶?永久性風(fēng)墻對(duì)無(wú)線傳輸?shù)牟焕绊懘?并且隨著頻率的增高損耗增大；感應(yīng)線對(duì)低頻較為敏感，當(dāng)頻率低于10MHz時(shí)，感應(yīng)傳輸距離比自由傳播大很多；當(dāng)頻率大于100MHz時(shí),兩者相差已不顯著。

    從上面的分析可知，在礦井內(nèi)，對(duì)無(wú)線傳輸有利的條件是高傳輸頻率，對(duì)無(wú)線傳輸影響較小的是大的巷道截面積、巷道內(nèi)的縱向?qū)w，對(duì)無(wú)線傳輸不利的條件是巷道的拐彎、分支、金屬或混凝土制的風(fēng)門、風(fēng)墻、通過的電機(jī)車等。通過對(duì)礦井無(wú)線傳輸特點(diǎn)的分析可以看出，特低頻段、甚低頻段、甚高頻段、特高頻段衰減較小。如果選擇特低頻段和甚低頻段，則要求發(fā)射機(jī)功率大，天線長(zhǎng)度長(zhǎng)，會(huì)給煤礦工人的工作和行走帶來(lái)極大的不便，很難滿足煤礦的實(shí)際需要。在甚高頻段和特高頻段，頻率越高，衰減越小。應(yīng)盡量選擇甚高頻和特高頻頻段。從前人對(duì)井下工作環(huán)境影響電磁波傳輸?shù)难芯砍晒锌梢钥闯觯?000MHz為礦井無(wú)線傳輸?shù)妮^佳頻段。但考慮到元器件的來(lái)源難易程度和器件的價(jià)格，選ISM頻段(868～915 MHz)較合理,這樣也利于與地面移動(dòng)通信系統(tǒng)兼容和利用現(xiàn)有的技術(shù)成果。另一個(gè)使用ISM頻段的原因是考慮到移動(dòng)設(shè)備的體積,使用該頻段天線尺寸和設(shè)備體積遠(yuǎn)小于用高、中、低頻的天線尺寸和設(shè)備體積。

    3.2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

    本設(shè)計(jì)采用廣播發(fā)射式射頻識(shí)別系統(tǒng)，井下所有監(jiān)控點(diǎn)使用的RFID均采用有源工作方式。井下監(jiān)控點(diǎn)分為兩種形式：固定監(jiān)控點(diǎn)和移動(dòng)監(jiān)控點(diǎn)。根據(jù)RFID的工作原理，固定監(jiān)控點(diǎn)上的RFID相當(dāng)于只收不發(fā)的讀寫器，移動(dòng)監(jiān)控點(diǎn)的RFID相當(dāng)于電子標(biāo)簽。整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)由井上部分和井下部分兩個(gè)部分組成，如圖3所示。

圖 3 井下監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

    3.2.1 井下部分

    井下部分是整個(gè)系統(tǒng)的核心，分為移動(dòng)監(jiān)控點(diǎn)和固定監(jiān)控點(diǎn)兩個(gè)部分。移動(dòng)監(jiān)控點(diǎn)包括工作人員和重要設(shè)備的RFID，可以進(jìn)行實(shí)時(shí)定位。固定監(jiān)控點(diǎn)包括傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、微監(jiān)控器和RFID模塊，完成對(duì)有害氣體的實(shí)時(shí)檢測(cè)和采集信息的傳輸，并對(duì)人員和設(shè)備提供實(shí)時(shí)位置檢測(cè)。井下部分的固定檢測(cè)點(diǎn)采用有線通信方式，利用串行USART接口進(jìn)行連接，采用RS-232串行數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)。

圖 4 井下固定監(jiān)控點(diǎn)總線型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

    井下固定監(jiān)控點(diǎn)之間采用總線型網(wǎng)絡(luò)連接，網(wǎng)絡(luò)連接如圖4所示。這種拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，成本也較低，網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)連接用USART接口。整個(gè)井下部分與井上部分采用RS－485串行數(shù)據(jù)接口總線標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行通信。 

    固定監(jiān)控點(diǎn)的結(jié)構(gòu)如圖5所示，傳感器所采集的各類氣體（主要為有害氣體，也可以包括空氣濕度，根據(jù)不同的煤礦選擇不同的氣體傳感器）的數(shù)據(jù)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后進(jìn)入MCU，RFID模塊與MCU同時(shí)進(jìn)行通信，MCU保存這兩部分的數(shù)據(jù)，并向數(shù)據(jù)通信接口不斷發(fā)送輸送請(qǐng)求。得到允許后通過USART接口將數(shù)據(jù)送入傳送網(wǎng)絡(luò)中。MCU的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)定時(shí)自動(dòng)刷新。當(dāng)有害氣體濃度超過安全閥值時(shí)，井上工作平臺(tái)及井下固定監(jiān)控點(diǎn)同時(shí)報(bào)警。

圖 5 井下固定監(jiān)控點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖

    井下移動(dòng)監(jiān)控點(diǎn)與固定監(jiān)控點(diǎn)之間是無(wú)線傳輸。無(wú)論是移動(dòng)還是固定，每個(gè)射頻模塊都有自己特殊的編號(hào)，與其它模塊均不同。在與固定監(jiān)控點(diǎn)上的射頻模塊進(jìn)行通信時(shí)，實(shí)際上傳輸?shù)木褪沁@個(gè)特殊的編號(hào)，監(jiān)控中心的軟件平臺(tái)已經(jīng)將固定監(jiān)控點(diǎn)位置信息進(jìn)行了登記和存儲(chǔ)。當(dāng)上傳的信息有與它們進(jìn)行無(wú)線通信的移動(dòng)監(jiān)控點(diǎn)編號(hào)信息時(shí)，就表示佩戴和安裝該移動(dòng)監(jiān)控點(diǎn)的人員及設(shè)備很接近該固定監(jiān)控點(diǎn)，從而判斷出RFID模塊的位置，這些位置信息均由系統(tǒng)存入數(shù)據(jù)庫(kù)。

    移動(dòng)監(jiān)控點(diǎn)的結(jié)構(gòu)如圖6所示，射頻識(shí)別模塊的特殊編號(hào)預(yù)存儲(chǔ)于微控制器中，通過MCU傳輸至RFID中，并不斷向外發(fā)送這個(gè)特殊的編號(hào)。采用預(yù)留串行接口主要是為了以后擴(kuò)充系統(tǒng)功能。LED可以顯示工作地點(diǎn)的射頻信號(hào)的強(qiáng)度。另外，移動(dòng)監(jiān)控點(diǎn)還可以配有電源控制開關(guān)，下井打開開關(guān)，上井給電池供電，便于使用。

圖 6 井下移動(dòng)監(jiān)控點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖

    3.2.2 井上部分

    井上部分主要是軟件操作平臺(tái)，按照功能劃分為實(shí)時(shí)監(jiān)控子系統(tǒng)和信息管理子系統(tǒng)。實(shí)時(shí)監(jiān)控子系統(tǒng)是整個(gè)智能化監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)，監(jiān)管小區(qū)的PC通過RS-485接口標(biāo)準(zhǔn)與數(shù)據(jù)通信接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。其功能是完成監(jiān)控點(diǎn)的信息采集、實(shí)時(shí)處理和存儲(chǔ)。從井下上傳的信息不但包括各類有害氣體的濃度數(shù)據(jù)，還包括井下工作人員和設(shè)備的位置信息，這些龐大的數(shù)據(jù)經(jīng)過壓縮后都保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中作為信息聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)。信息管理子系統(tǒng)的主要功能是對(duì)移動(dòng)監(jiān)控點(diǎn)的信息進(jìn)行錄入、修改、查詢和統(tǒng)計(jì)。

    3.3 門禁系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    圖7為門禁系統(tǒng)功能模塊示意圖。由圖可見，礦道入口和每個(gè)開采面的入口都放有讀卡器，這是為了確定井下礦工總?cè)藬?shù)和每個(gè)開采面的礦工人數(shù)，同時(shí)可以了解一些基本資料，例如，每個(gè)礦工的名字，年齡，每天的工作時(shí)間，考勤等等。

    從門禁系統(tǒng)的功能來(lái)講，只需要了解每個(gè)開采面的礦工人數(shù)及一些基本資料即可，無(wú)需很大的閱讀范圍，理論上講，只用低頻無(wú)源標(biāo)簽即可。為了與定位系統(tǒng)采用同一電子標(biāo)簽，這里門禁系統(tǒng)采用的也是高頻標(biāo)簽。

圖 7 門禁系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    3.4 定位模塊

    圖8為基于RFID的井下定位模塊圖。此模塊的功能為定位井下重要儀器設(shè)備位置，運(yùn)行路線，井下人員位置及井下人員在任一時(shí)間的活動(dòng)軌跡。

圖 8 定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    此模塊中感應(yīng)器采用高頻有源的工作方式，工作頻率定為915MHz。有源標(biāo)簽可以分別被帶在施工人員身上和重要的儀器設(shè)備上，便于總體調(diào)度管理和定位。標(biāo)簽分別記錄施工人員及儀器設(shè)備的重要信息。在該頻率的感應(yīng)器不再需要線圈進(jìn)行繞制。感應(yīng)器一般通過負(fù)載調(diào)制的方式進(jìn)行工作。也就是通過感應(yīng)器上的負(fù)載電阻的接通和斷開促使讀寫器天線上的電壓發(fā)生變化，實(shí)現(xiàn)用遠(yuǎn)距離感應(yīng)器對(duì)天線電壓進(jìn)行振幅調(diào)制。如果人們通過數(shù)據(jù)控制負(fù)載電壓的接通和斷開，那么這些數(shù)據(jù)就能夠從感應(yīng)器傳輸?shù)阶x寫器。

    在開采面及巷道上，需要詳細(xì)的儀器設(shè)備位置，運(yùn)行路線，礦工位置定位及任一時(shí)刻井下人員的活動(dòng)軌跡，所以選擇高頻有源標(biāo)簽。而且井下環(huán)境復(fù)雜，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)坍塌，水淹等狀況，高頻可以有效的穿透石頭，水，灰塵，懸浮顆粒等物體，所以可以適應(yīng)各種環(huán)境。而且高頻有源標(biāo)簽的作用距離較長(zhǎng)，最長(zhǎng)可達(dá)百米左右，這樣可以在用最少數(shù)量的閱讀器的前提下覆蓋全部井下作業(yè)面，并可以有效的讀出每個(gè)礦工的信息，而且可以同時(shí)讀取多個(gè)標(biāo)簽，通過讀取的位置信息進(jìn)行定位。

    3.5 系統(tǒng)特點(diǎn)

    這種智能化煤礦監(jiān)控系統(tǒng)以煤礦安全為基礎(chǔ)，射頻識(shí)別模塊（RFID）為主要設(shè)備，有線通信網(wǎng)絡(luò)為紐帶，功能齊全，穩(wěn)定性好，減少了管理人員的工作量。該系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：

    1、使用總線型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：煤礦開采是不斷進(jìn)行的，如果采用的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不能合理的增加節(jié)點(diǎn)數(shù)目，會(huì)給系統(tǒng)的使用造成不便。本設(shè)計(jì)中，總線型網(wǎng)絡(luò)只需要增加一段電纜和固定監(jiān)控點(diǎn)就可增加一個(gè)節(jié)點(diǎn)，可以使得智能化監(jiān)控系統(tǒng)可以隨著煤礦的開采而不斷地?cái)U(kuò)充。
    2、系統(tǒng)具有較高的識(shí)別率和可靠性：射頻識(shí)別系統(tǒng)的讀寫距離是一個(gè)很關(guān)鍵的參數(shù)，目前長(zhǎng)距離射頻識(shí)別系統(tǒng)的價(jià)格還很貴。所以為避免過長(zhǎng)距離導(dǎo)致的數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定、不完整，設(shè)計(jì)時(shí)在有線傳輸?shù)那疤嵯?，固定監(jiān)控點(diǎn)的分布使用了總線型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，系統(tǒng)可靠性高。移動(dòng)監(jiān)控點(diǎn)參照越區(qū)切換的概念在固定監(jiān)控點(diǎn)之間數(shù)傳輸據(jù)，可以達(dá)到高的識(shí)別率。

    4．小結(jié)

    將射頻識(shí)別技術(shù)應(yīng)用于礦井井下人員儀器設(shè)備定位管理系統(tǒng)，是通過建立一個(gè)完整、靈活和實(shí)時(shí)的井下人員及儀器定位管理系統(tǒng)，包括井下作業(yè)工人的計(jì)劃安排、工人進(jìn)出巷道的權(quán)限管理、巷道人員分布及定位、作業(yè)工人資料，儀器運(yùn)行軌跡，設(shè)備調(diào)度等進(jìn)行管理，來(lái)實(shí)現(xiàn)井下管理信息化，同時(shí)提高礦井開采生產(chǎn)管理和作業(yè)安全的水平。整個(gè)系統(tǒng)采用總線型網(wǎng)絡(luò)連接，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)構(gòu)成簡(jiǎn)單而且成本較低。這種智能化監(jiān)控系統(tǒng)是以礦井安全生產(chǎn)為基礎(chǔ)，射頻識(shí)別模塊（RFID）為主要設(shè)備，有線通信網(wǎng)絡(luò)為紐帶，監(jiān)管中心的PC 為中樞的新型智能化計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)，綜合運(yùn)用了多種通信技術(shù)，突破了傳統(tǒng)礦井安全管理模式，是礦井安全生產(chǎn)管理系統(tǒng)的新趨勢(shì)。 

    作者簡(jiǎn)介：
    牛超超，男，1986 年生，山東新泰人，碩士研究生，研究方向：機(jī)械電子；
    朱微維，女，1985 年生，江蘇南通人，碩士研究生，研究方向：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；
    李彥瑋，女，1985 年生，河北衡水人，碩士研究生，研究方向：電路與系統(tǒng)。